700m³拱顶罐课程设计

学院课程设计课程名称油气储运与装卸课程计题目700m³拱顶罐设计学院课程设计任务书题目名称700立方米内浮顶储罐设计系部专业班级学生姓名一、课程设计的内容（1）确定内浮顶油罐的基本结构和局部构件；（2）确定油罐大小及相应构件的规格尺寸；（3）储罐的附属设施。二、课程设计的要求与数据1、设计要求（1）初步掌握主要设备的选型；（2）熟练应用常用工程制图软件；（3）熟悉储运项目设计程序步骤；（4）掌握储运项目常用标准规范；（5）熟悉并掌握储罐的计算方法；（6）熟练应用CAD绘制一张装配图；2、设计数据物料：92#汽油；设计压力：正压：1960Pa负压：490Pa设计温度：自选（-19℃≤t≤50℃）基本风压：686Pa雪载荷：441Pa抗震设防烈度：8度场地土类型：=2\*ROMANII类储液密度：725kg/m³腐蚀裕量：3mm设计风速：55m/s焊接接头系数：0.9三、课程设计应完成的工作1、课程设计内容(1)对拱顶油罐的结构进行详细设计，包括拱顶、罐壁、罐底、内浮顶的结构尺寸的设计，储罐附件的结构选取。(2)对拱顶油罐的主要结构进行强度计算，包括拱顶、罐壁、罐底、内浮顶的厚度计算，加强圈的计算和校核；(3)绘制图纸：采用CAD绘制拱顶罐装配图一张。2、课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：（1）摘要；（2）目录；（3）正文；（4）总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；（5）参考文献（不少于5篇）；（6）附录。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求。2查阅与设计有关的资料3相关工艺设计计算4撰写课程设计说明书5课程设计初稿的修订6上交课程设计说明书7课程设计进行答辩五、应收集的资料及主要参考文献[1]GB50074-2002，《石油库设计规范》[2]HG21502.1-1992《钢制立式圆筒型固定顶储罐系列》[3]GB50341-2003，《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范»[4]GB150-1998，《钢制压力容器标准»[5]GB/T4735，《钢制压力容器»[6]GBJ128—90，《立式圆筒形钢制焊接油罐施工及验收规范»[7]朱萍，徐英，杨一凡《球罐和大型储罐》化学工业出版社2005[8]帅健，于桂杰，《管道及储罐强度设计》石油工业出版社2010摘要内浮顶贮罐是指在固定顶内加一轻型浮盘的直立圆筒形贮罐。漂浮在液面上的浮盘四周与罐壁间有软密封装置，可将油气隔绝在浮盘之下。在固定顶中央设有内径至少为250mm的通气孔，孔上有防漏盖，在最高液位以上的罐壁设置均匀分布且加有金属网的通气孔，其作用是排出浮盘上面的油气，防止爆炸，兼起溢流作用。本文将700立方米内浮顶储罐的设计加以总结概述。关键词：内浮顶罐汽油结构设计目录TOC\o"1-3"\f\h\u第1章绪论 11.1汽油储罐的设计目的和意义 11.2储罐结构的选择 11.3内浮顶罐的概述 21.3.1内浮顶罐的发展 21.3.2内浮顶罐的结构、性能与应用。 21.3.3浮盘的选择 31.3.4铝制内浮盘储罐 41.3.4铝制内浮顶工作原理 5第2章内浮顶油罐的设计计算 62.1罐基本参数的确定 62.2罐总体内径和高度的确定 62.3材料的选择 72.4罐壁的设计 82.4.1壁厚的确定 82.4.2罐壁的设计厚度 92.4.3罐壁的设计外压 102.4.4加强圈的设计 102.4.5罐壁的开孔及开孔补强 112.5罐底的设计 122.5.1排版形式 123.3.2罐底板厚度的计算 122.6罐顶设计 132.6.1固定顶设计 132.6.2球壳的设计 142.6.3拱顶的稳定性校核 162.7抗震设计 162.7.1倾覆力矩的计算 162.7.2罐壁压应力计算 172.7.3罐壁临界压应力及其校核 17结论 18参考文献 19附录 20第第23页第1章绪论1.1汽油储罐的设计目的和意义近十几年来，我国的油气储运事业获得了蓬勃发展。新建的国家战略石油储备基地正为我国经济长期健康、快速发展提供能源保障。油气田生产、处理离不开管道和储罐，油气运输和储存离不开管道和储罐，大型炼油厂的各种管道和储罐更是错综复杂、星罗棋布，大部分的油气产品正是通过储罐储存和管道输送最终送达用户的。设计满足使用要求的储罐，使之在寿命期内不发生结构失效，是本次设计的目的。1.2储罐结构的选择油品储罐的选型应考虑的主要因素是尽量降低油品损耗，避免油品在储存期间变质，减轻大气污染与火灾的危险性，同时还要考虑经济合理。控制和减少储液的蒸发是储罐技术发展的一个重要方面。油品在储存过程中的蒸发损失不仅可以造成储液量的损失，还导致油品质量的下降，使油品变质。减少储罐的蒸发损失有很多措施，如用水喷淋可基本消除固定顶罐的小呼吸损失，但这要浪费大量的冷却水，将罐体外表面涂成白色或使用热绝缘材料可降低小呼吸损耗60%，还有提高储罐承载能力等措施。但是，以上这些措施都不能从根本上减少储罐的蒸发损失，采用内浮顶罐是迄今为止控制油品蒸发损失所采用的技术中最有效的解决办法之一。储存汽油，柴油的储罐原则上既可以选择固定顶油罐,也可选用内浮顶油罐。但不同罐型的防火距离要求是不同的，一般而言(容量大于1000m³的油罐)，固定顶油罐之间的距离为0.6D，内浮顶油罐之间的距离为0.4D。对固定顶与内浮顶油罐的选型进行分析比较，当土地价格与地基处理费用较高时，从经济合理性上来讲,选用内浮顶油罐是恰当的。1.3内浮顶罐的概述1.3.1内浮顶罐的发展比较简单的内浮顶罐采用钢制盘式外浮顶加1个防雨固定顶。为避免盘式浮顶漏损或沉没,采用带有球形隔舱的内浮盘,或采用双层板制成的双盘式内浮顶,其目的都是为了增加浮盘的浮力和安全性。在20世纪50年代出现过非钢制的内浮顶,其材料有铝、环氧和聚酯为主的玻璃钢、聚氯乙烯塑料和聚氨酯泡沫塑料等。例如，美国俄亥俄美孚石油公司曾试用过充满惰性氮气的空心塑料球作为覆盖层;埃克森公司试验过-种外涂塑料织物制成的形似木筏的有空气室的浮顶，并于1955年第1次采用了塑料浮顶。充气的教生筏形的浮顶漂浮在液面上，减少了85%的汽油蒸汽损失。法国也研制了硬聚氯乙烯浮动盖。原苏联1961年曾使用过泡沫塑料内浮顶，但由于玻璃钢、塑料浮顶耐温性能差，且不导静电，故在20世纪60年代初便出现了铝制内浮顶。加拿大欧文炼厂在直径为28.65

m的油罐中采用了全铝质的内浮盘。美国Uitraflote

公司和西德Rheinfelden公司早在20世纪60-70年代就制造了4000多套铝合金装配式内浮顶，用于储存原油、汽油、石脑油、航空煤油、苯和丙酮等产品的储罐。我国在20世纪60年代末开始采用装配式铝制内浮顶，同时根据介质腐蚀要求也采用过装配式不锈钢制内浮顶。目前装配式铝制内浮顶发展迅猛,已得到广泛采用,各种各样的高效节能结构形式不断涌现。钢盘式内浮顶由于减少了储容量，且存在施工周期长、动火量大、易于沉底、安全性能差、维修成本高等不利因素，因此其发展趋势下降。玻璃钢、泡沫塑料内浮顶由于静电导出问题难以解决，目前国内一般也不予采用。1.3.2内浮顶罐的结构、性能与应用内浮顶油罐罐体外形结构与拱顶油罐大体相同。与外浮顶油罐相比，它多了一个固定顶，这对改善油品的储存条件，特别是防止雨水杂质进入油罐和减缓密封圈的老化有利。同时内浮顶也能有效的减少油品的损耗，所以内浮顶油罐同时兼有固定顶油罐和浮顶油罐的特点。从耗钢量比较，虽然内浮顶油罐比浮顶油罐增加了一个拱顶，但也省去了罐壁和罐顶周围的抗风圈、加强环、滑动扶梯和折水管等，因此总耗钢量仍略少于浮顶油罐。内浮顶罐的详细特点如下：1、内浮顶储罐不是固定顶罐和浮顶罐的简单迭加，由于结构上的特殊性，与固定顶储罐相比有以下特点:①、储液的挥发损失少。由于内浮盘直接与液面接触，液相无挥发空间,从而减少发损失85%

~

90%。②、由于液面没有气相空间，所以减轻了罐体(罐壁与罐顶)的腐蚀，延长了储罐的寿命。③、由于液面覆盖内浮盘，使储液与空气隔离，故大大地减少了空气的污染，减少了着火爆炸的危险，易于保证储液的质量。特别适用于储存高级汽油和喷气燃料，也适合储存有害的石油化工产品。1.3.3浮盘的选择1、铁浮筒式内浮盘:优点是全液封、承载能力好、结构牢固，缺点是造价高、体积大、施工难度大、浮力单元少、市场占有率低。2、夹板式内浮盘:全液封、重量轻、浮力强、施工简单。缺点是浮力单元胶与介质接触，会渗入塌陷。市场占有率也不高。3、浮动式内浮盘:优点是造价非常便宜,重量轻，施工简单。目前市场占有率为90%。根据上面的比较，选用铝浮顶的性价比高，经济合理；如必须选用钢浮顶，选用不锈钢材料做内浮顶无论从使用方面，还是价格方面都比选用碳钢浮顶更为合理。1.3.4铝制内浮盘储罐工作原理储罐铝制内浮盘是一种通过浮

力使之随储罐液面升降而升降的覆盖在液面上的节能环保设备。为减少储罐内介质挥发，降低损耗节约能源，保护环境，在础罐内增设本内浮盘。储罐通过安装铝制内浮盘密封储存的介质、降低介质温度达到节约能源，保护环境的作用。铝合金内浮盘储罐主要用于储存轻质油,例如汽油、航空煤油等，采用直线式罐壁，壁板对接焊制，拱顶按拱顶储罐的要求制作，是目前公认的最理想的降低油品蒸发损耗的最经济、简单的方法。内浮顶油罐的设计计算2.1罐基本参数的确定内浮顶油罐是在设计容积给定的情况下，如何使设计出的油罐达到最低的工程造价和材料消耗，同时又满足罐壁强度和稳定性要求。储罐的设计参数主要有：设计温度、设计压力、风及地震载荷、油罐的直径、高度、容量等。根据储罐所盛装的介质（95#汽油）及工作环境确定设计温度为-19℃≤t≤50℃，设计压力为常压，即-0.49KPa—1.96Kpa。其他参数将在后文中介绍。2.2罐总体内径和高度的确定储罐总体尺寸的确定主要坚持两个原则，即材料最省和费用最省。根据储罐总体尺寸确定的两个原则，前人将计算储罐内径的方法归纳为下表：表2.1储罐的经济尺寸罐壁情况储罐形式按材料最省的经济尺寸按费用最省的经济尺寸等壁厚小型敞口储罐H≈RH≈R小型封闭储罐H≈2RH≈2R不等壁厚大型封闭储罐H≈λαH当容积大于1000m3时采用不等壁厚的储罐。若把罐壁和罐顶看作相同的费用，并且分别为罐底费用的两倍时，其经济尺寸H≈3D/8（1-1）看来合理些。内浮顶罐的体积公式为：π4×D2×H=V根据公式(1-1)和(1-2)及充装系数为0.9，则浮顶罐罐罐高度与直径计算结果为：π4×38×D2所以D=13.8m，H=5.2m计算容积为:V=对于立式圆筒形储罐，可通过建立立式圆筒储罐罐体质量函数关系并求取极小值，同时引入质量折算系数的概念，在遵循JB/T4735-1997«钢制焊接常压容器»原则的基础上，推导出立式圆筒储罐最经济内径的计算公式，最后应用数值理论反复迭代的方法来确定储罐的最经济内径值。上述两种理论确定的内径和高度与HG21502.2-92（化工钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列标准）提供的数据有些出入，这主要是考虑载荷、占地面积及许用容积等方面的因素。本文的设计以HG21502.2-92给定的参数为准（见附录）。HG21502.2-92提供的公称容积为700m3计算容积：764m3；储罐内径：9200mm；罐壁高度：12500mm；拱顶高度：991mm；总高:13491mm；罐壁底圈到第七圈的厚度（mm）分别为：6，6，6，6，6，6，6,储罐总重：28720Kg2.3材料的选择1、储罐的用材按类别可分为：碳钢（碳素钢和低合金钢）、不锈钢、铝及其合金。2、储罐主要用材的选择储罐用材的选择应根据储罐的设计温度（最低和最高设计温度）、物料的特性（腐蚀性，毒性，易爆性等）钢材的性能和使用限制，在保证各部位安全，可靠的基础上节省投资的原则。在满足其他条件的情况下优先选用碳素钢。3、罐壁和罐底的边板对选材来说是最重要地，也是最难于判断的。由强度决定的罐壁部分、罐底的边缘板(或简称边板)、人孔接管、补强板在原则上应选择同一种材科。罐底的中幅板、罐顶及肋板、抗风圈、加强圈等一般可选用Q235-A，Q235-B或Q235-A-F牌号钢材。由1000m3至10000m3的小型油罐由强度决定的罐壁部分的选材，根据用途及建罐地区最低日平均温度分别采用Q235-A-F和当这些小型油罐锗存汽油时，则根据建罐地区的最低日平均温度选取不同材料。当最低日平均温度在—100C以上时，取Q235-A，在-10—-200C时取油罐的其他部分，如罐底的中幅板、罐顶、抗风圈、加强圈等一般可选用Q235-A或Q235-A-F，日本在这些部位多选用SS41。4、罐壁材料三项基本要求罐壁材料的三项基本要求是强度、可焊性和冲击韧性，三者全都重要不个可偏废。根据以上原则，储罐的主体材料选择Q235-B。2.4罐壁的设计工程设计中罐壁厚度通常由三种方法确定，即：（1）定点法：用于容积较小的储罐（直径小于60米）。（2）变点法：此方法适用于L/H≤1000/6的储罐。（3）应力分析法：此方法适用于L/H>1000/6的储罐。对于容积较小的储罐，采用定点法设计罐壁厚度计算简便，结果也足够安全。2.4.1壁厚的确定罐壁的设计首先要确定壁厚。在罐壁中环向应力是占控制地位的，因而壁厚是根据环向应力确定的。壁厚一般可按下式计算：t=DH-0.3γ2式中：t--罐壁按强度要求的最小壁厚，mm；D--油罐的直径，m；H--由所计算的那圈壁板的底边至罐壁顶端的垂直距离，m；γ--贮液的比重，当贮液的实际比重小于1时，取γ=1；ϕ--焊缝系数，根据我国目前的焊接水平和焊缝质量检查的具体情况，可取ϕ=0.90；σ--许用应力，σ可按2/3σS进行计算，σS式中0.3是由于下一圈板或罐底对所计算的那圈板的约束而使最大应力减低的修正系数；C--钢板的允许负偏差及腐蚀裕量之和，mm。钢板的允许负偏差，与钢板的厚度和宽度有关。按(2-2)式计算出的t值，适当向上圆整。考虑到预制，运输、安装以及保证建成后罐壁圆度等，按(2-2)式确定的壁厚在任何情况下不得小于按刚性要求所决定的。2.4.2罐壁的设计厚度罐壁的设计厚度按下式计算，取其中的较大值。td=0.0049ρH-0.3tt=4.9H-0.3式中：td--储存介质时的设计厚度（mm）；tt--储存水时的设计厚度（mm）；ρ--储液的密度(kg/m3H--计算的壁板底边至罐壁顶端的垂直距离(m)；D--储罐内直径(m)；σt--设计温度下罐壁钢板的许用应力(MPa)σ--常温下罐壁钢板的许用应力(MPa)；ϕ--焊缝系数，取0.9；C1--钢板或钢管的厚度负偏差(mm),取0.6mmC2--腐蚀裕量(mm),取2mm查得，常温下Q235-A的许用应力σ=375MPa，设计温度下的许用应力为σt=157MPa，将D=9.2m第一层：tt第二层：tt第三层：tt第四层：tt第五层：tt在确定壁板的名义厚度时,不能单纯地按计算结果考虑,因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。按照上述二式计算的罐壁厚度，最上一层或者几层钢板的厚度可能会较薄，以致于制造难度增大。确定罐体壁厚还要考虑以下几个方面的问题:：(1)防腐蚀；(2)罐体受力；(3)罐体刚度。为此罐体壁厚，可用一些经过实践证明行之有效的经验数据加以限制：当油罐直径<l2m时，最小壁板厚度为6mm；当油罐直径12m≤D<15m时，最小壁板厚度为7mm；当油罐直径15m≤D<36m时，最小壁板厚度为8mm。2.4.3罐壁的设计外压储罐的外压包括风压和罐内负压，对内浮顶罐，没有罐内负压。故设计外压为：p0=2.25μzW0故：p0=2.25×0.74×式中：μz--风压高度变化系数，对于有密集建筑群的大城市区，取0.74W0--建罐地区的基本风压，350Pa2.4.4罐壁的开孔及开孔补强由于使用的要求，必须在油罐壁上开孔并接管，例如，进出油管、通气孔、人孔和检查孔等。对罐壁的一些开孔有如下要求：1、无密闭要求的内浮顶罐，应在最高设计液位以上的罐壁上设置环形通气孔，通气孔应沿四周均匀分布，且不得少于4个，通气孔的总有效面积按下式计算：B≥0.06D=0.06×9.2=0.55m2（2.6）式中：B——环向通气孔总有效通气面积（m22、罐壁上应至少设置一个低位人孔，并宜设一个高位人孔，其规格不应小于DN600。在罐壁上开孔后将在孔的附近产生应力集中，其峰值应力通常达到罐壁基本应力的3倍，甚至更高。这样高的局部应力再加上开孔结构在制造过程中又不可避免的会形成缺陷和残余应力，如不采取适当的补强措施，就很可能在孔口造成疲劳破坏和脆性裂口，使孔口处撕裂。补强的办法就是在开孔的周围焊上补强圈板，以增大开孔周围的壁厚，降低孔周围的应力。理论分析和实际经验表明，用罐壁相同材质的钢板作为补强圈板，补强圈板的横截面积与孔口的横截面积（孔口直径和罐壁厚度的乘积）取值相同，将有良好的效果，足以保证孔口的强度要求。因此工程实际中均采用这种“等截面”补强的方法。接管公称直径大于50mm的开孔应补强，当开孔直径不超过250mm，补强板可采用环形板，当开孔直径大于250mm时，补强板采用多边形板。2.5罐底的设计立式油罐的罐底一般是直接放在地基的砂垫层上．油罐内的油品重量可直接传结地基。底板仅受一简单的压缩力，这对钢板来说，受力是极其微小的。因此，对底板来说，理论上几乎没有强度要求，只需要将油品与地基隔开，不渗漏就行了。不过，考虑到不同大小的油罐由于地基沉陷的影响和经济要求，各种规范都对油罐罐底的结构，如排板的形式、底板的厚度以及搭接联接的方式等提出了不同的要求。罐底设计的主要依据是：对排板、焊接、联接方法和板厚的要求。2.5.1排版形式罐底板的排板形式，主要考虑使其焊接变形最小、易于施工、以及节约钢材等因素来决定。经过多年的实践，目前主要采用如图3所示的两种形式。图3储罐罐底板排版形式当储罐内径小于12.5m时宜采用条形排版形式，当外径大于等于12.5时，宜采用弓形边缘板。由于本文所设计的油罐外径为9.2m，故选用条形排版形式(如图3-b)。罐底板的接缝除弓形边缘板之间为对接外其余全为搭接。搭接顺序一般是由中心向边缘进行。2.5.2罐底板厚度的计算根据《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992表3-1中幅板钢板规格厚度储罐内径（m）中幅板钢板规格厚度（mm）碳素钢不锈钢D>2064.5表3-2边缘板钢板规格厚度底圈罐壁板厚度(mm)边缘板钢板规格厚度（mm）碳素钢不锈钢11~2087所以，罐底中幅板厚7mm，底圈罐壁板厚度为13mm，则边缘板钢板厚9mm。2.6罐顶设计2.6.1固定顶设计内浮顶储罐固定顶一般设计为拱顶。拱顶是一种由球面拱形结构通过包边环量与罐壁上沿相连接的固定顶盖。球面拱顶与锥顶相比，拱顶结构简单、刚性好、能承受较高的剩余压力、钢材耗量少；但气体空间较一般的锥顶盖大，制造也比锥顶盖麻烦些。球壳半径R=（0.8~1.2）D=7.4~11.1m（油罐内径）转角曲率半径ρ=0.1D=0.92h≈0.4r=4.6m（r为罐半径）顶板周边与包边环量采用薄弱连接。内浮顶罐罐顶的外载荷由球壳的自重、雪载、活载荷、罐内真空度等组成。当对外载荷估计太低会使球壳受压失稳，也会使包边角被拉坏。估计过高会浪费材料，一般外载荷由下计算：qE=q1式中：qE——作用于球壳上的外载荷，kgf/m2；q1——球壳单位面积的自重，kgf/m2；q2——雪载荷，kgf/m2；q3——活载荷，kgf/m2；q4——罐内可能产生的最大真空度；kgf/m2；q2+q32.6.2球壳的设计对于700立方米或较大的储罐采用加肋拱顶较经济，使在拱顶满足稳定性的条件下，拱顶自身的重量最轻。对拱顶罐的球壳进行内压力作用下所产生的薄膜应力的强度校核和外载作用下的稳定校核。在大多数情况下后者是主要的，故只校核后者。球壳的厚度一般用公式：tmin=0.42R+C=0.42×0.8×9.2+1≈4.1mm（2计算，但最小不得小于4mm。式中：tmin——所需最小板厚，mm；R——罐顶曲率半径，m；C——腐蚀裕量。光球壳稳定性校核Pcr=0.312EtR2式中:Pcr——稳定许用载荷，kgf/cm2；E——钢的弹性模量，kgf/cm2；t——球壳厚度，mm；R——球壳曲率半径，m。代入数据求得p稳定性验算满足：p式中：P——拱顶的设计外压力Pcr——许用压力。筋条球壳稳定性校核Pcr=2.1×1式中：tm——带筋条顶板的折算厚度，mm；D1——带筋条顶板径向截面的平均抗弯刚度，kg-mm；

D1=Eh1bE——钢材的弹性模量，取E=1.63×1b1——纬向筋宽度，mm；h1——纬向筋厚度，mm；L1——径向截面上的筋（纬向筋）间距，mm；n1——带筋顶板径向折算系数；n1=1+b1h1D2=Eh2b2LE——钢材的弹性模量，取E=1.63×1b2——纬向筋宽度，mm；h2——纬向筋厚度，mm；L2——径向截面上的筋（纬向筋）间距，mm；n2——带筋顶板径向折算系数；n2=1+b2h2e2——经向截面上，组合截面形心O点到顶板中心面的距离，mm，D——罐顶抗弯刚度，kg-mm。D=2.6.3拱顶的稳定性校核拱顶球壳无内压作用，只校核外载荷作用下的稳定性。作用在拱顶不致由皱折造成失效的安全应力(拱顶许用临界应力）PcrP式中：E——弹性模量，取E=200Gpa;T——球壳厚度，mm(不包括腐蚀裕量);D——储罐直径，m;θ——母线与水平面夹角将数据代入公式得Pcr=3.062×而在罐顶中由动载荷和静载荷所引起的压力P=8693.551PaP小于P满足稳定性要求。2.7抗震设计2.7.1倾覆力矩的计算M=Q0H2（式中：M——水平地震载荷对罐底底面的弯矩，kgf-cm2；Q0——水平地震的载荷，kgf-cm2；H——罐底底面至液面的高度，m；Q0按下式计算：